CC BY
12
ФИЗИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА УДК 621.315.592
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПЛЕНОК a-Si:H, ПОДВЕРГНУТЫХ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОМУ
ОТЖИГУ В ВОДОРОДЕ
И. А. Курова, М. А. Нальгиева, Н. Н. Ормонт
(.кафедра физики полупроводников) E-mail: ormont@phys.msu.ru
Обнаружена фотопроводимость пленок a-Si:H, подвергнутых термическому отжигу в атмосфере водорода при температуре Та 560 °С. В области низких температур темновая проводимость отожженных пленок определяется прыжковым механизмом с переменной длиной прыжка. Наличие прыжкового транспорта свидетельствует о высокой плотности состояний оборванных связей кремния (р ~ 1019 см-3-эВ~Показано, что появление фотопроводимости исследованных пленок после отжига может быть связано с образованием фоточувствительного слоя, имеющего микрокристаллитную структуру.
Влияние высокотемпературного отжига на свойства пленок а-ЭкН исследовалось в ряде работ [1-6]. Целью этих исследований было определение изменений параметров материала и его свойств, обусловленных структурными перестройками аморфной сетки при температуре отжига Та выше температуры получения пленки а-ЭкН. Было установлено, что после высокотемпературного отжига изменяются темновая проводимость и фотопроводимость, спектральные зависимости поглощения, спектры комбинационного рассеяния и другие характеристики материала. Это, в частности, обусловлено тем, что при температурах выше 400 °С, когда происходит эффузия водорода, изменяется концентрация водородно-кремниевых связей, увеличивается концентрация активных атомов примеси, а при температурах выше 650 °С образуется микрокристаллическая фаза. В работе [7] после отжига пленок а-ЭкН при 500 °С наблюдалось изменение структуры с образованием новой модификации кремния — силицина. Полной же картины изменений свойств а-ЭкН после высокотемпературного отжига до настоящего времени нет.
Отметим, что в известных нам работах высокотемпературный отжиг пленок а-ЭкН проводился в вакууме или в потоке азота. В настоящей работе высокотемпературный отжиг пленок а-ЭкН проводился в потоке водорода. Отжиг в водороде влияет на скорость эффузии водорода из пленки и может изменять характер структурной перестройки аморфной сетки, а также уменьшать механические повреждения пленки, возникающие в процессе выхода водорода.
Нами исследовались пленки а-ЭкН, полученные из еилана*) методом осаждения в плазме ВЧ тлею-
Пленки были выращены в ГИРЕДМЕТе.
щего разряда при температуре кварцевой подложки Тв = 310 °С. Толщина пленок составляла около 1 мкм. Исследованные пленки а-ЭкН — неотожжен-ная (контрольная) и отожженные в течение 30 мин при температурах 560 и 650 °С — были вырезаны из одной пластины. Контакты из А1 в компланарной конфигурации напылялись одновременно на все пленки.
В работе измерялись темновая проводимость, фотопроводимость и люкеамперные характеристики пленок в интервале температур 90-460 К. Спектры поглощения снимались при комнатной температуре. Эти измерения показали, что в результате отжига пленок в атмосфере водорода при температуре Та > 560 °С изменяются оптические, электрические и фотоэлектрические свойства пленок. При этом в отличие от раннее исследованных нами пленок, отожженных в вакууме [5, 6], в пленках, отожженных в водороде, наряду с прыжковой проводимостью наблюдалась фотопроводимость. Фотоэдс и нагрев пленки во время ее освещения отсутствовали.
На рис. 1 показаны спектральные зависимости коэффициента поглощения а в координатах Тауца для неотожженной пленки и пленок, отожженных при 560 и 650 °С. Экстраполируя зависимости к значению а = 0, мы получаем значения оптической ширины щели подвижности Ед. Видно, что для неотожженной пленки она равна 1.78 эВ, а для отожженных при 560 и 650 °С — соответственно 1.52 и 1.48 эВ. Таким образом, при увеличении температуры отжига Ед уменьшается, оставаясь, однако, больше значения Ед = 1.4 эВ для пленок аморфного негидрированного кремния. Это, по-видимому, указывает на присутствие остаточного водорода в отожженных пленках.
Приведенные на рис. 1 коэффициенты поглощения а(/ш) были вычислены по данным спектров
{аЬу)Ш, СМ-1/2эВ-1/2
Рис. 1. Спектральные зависимости (а-Ни)1^2 для пленок а-вкН (неотожженной пленки / и отожженных в водороде при температурах 560 и 650 °С пленок 2 и 3), вычисленные из экспериментально измеренных спектров пропускания этих пленок
пропускания пленок Т(/ш) по формуле, приведенной в работе [8]:
I)3 (п(/ш)+п2)
а(/ш) = —— 1п
й
(п(/ш)
_ 16(п(/ш))2
■ т
пя
(1)
Здесь
п
пя = 1.45
показатель преломления пленки, показатель преломления подложки, а й — толщина пленки. Формула (1) применима для структуры, состоящей из плоскопараллельных пленки и подложки, в области сильного поглощения пленки (Т < 0.2) в отсутствие поглощения подложки (а8 = 0). Эти условия выполняются для наших пленок в области энергий фотонов /ш > 1.9 эВ для неотожженных пленок и /ш > 1.7 эВ для отожженных пленок.
В области сильного поглощения показатель преломления п(/ш) , необходимый для вычисления значений а(/ш) по формуле (1), определялся следующим образом. Из измеренных нами спектров пропускания света в области слабого поглощения пленок определялись значения коэффициентов пропускания в максимумах и минимумах интерференции Ттах и Тт\п, по которым вычислялись значения п(/ш) в области слабого поглощения; полученные зависимости п(/ш) экстраполировались на область сильного поглощения [9, 10], а затем использовались для вычисления а(/ш) по формуле (1).
На рис. 2 приведены температурные зависимости темновой проводимости исследуемых пленок. Измерения проводились при значениях напряженности электрического поля в области линейного участка ВАХ. Видно, что темновая проводимость контрольной пленки изменяется по активационному закону
1д а , Ом"1 см"1
103/ 7, к:1
Рис. 2. Температурные зависимости темновой проводимости
пленок 1, 2, и 3 (сплошные кружки, квадраты и треугольники соответственно)
Вычисленные значения энергии активации Е = = 0.8 эВ и предэкспоненциального множителя со = 3.2 • 104 Ом-1-ем-1 характерны для зонного механизма проводимости.
Температурные зависимости и величины темновой проводимости неотожженной и отожженных пленок существенно различны. Проводимость отожженных пленок имеет значительную величину в области низких температур, и зависимость сг{Т) во всем интервале температур уже не описывается активационным законом. В области низких температур в отожженных пленках проводимость хорошо описывается формулой для трехмерной прыжковой проводимости с переменной длиной прыжка
а н (Т) = А ехр
0.25'
(3)
Из рис. 2 видно, что величина прыжковой проводимости для пленки 3 больше, чем для пленки 2. Поэтому измерения проводимости пленки 3 проведены в большем температурном интервале. Это позволило нам определить параметры прыжковой проводимости в пленке 3 с большей точностью. Полученные параметры имеют следующие значения: А = 1.5 • 105 Ом-^см-1, То = 2.3 • 108 К.
На рис. 3 показано, что экспериментально измеренная темновая проводимость о^ пленки 3 в области высоких температур (треугольники) имеет температурную зависимость, отличающуюся от экстраполированной в эту область зависимости прыжковой проводимости (кривая /), при этом величина измеренной проводимости о^ превышает величину прыжковой проводимости с/г • Вычитая экстраполированные значения прыжковой проводимости из измеренных значений проводимости о^ в этой области температур, мы получаем значения проводимости
Ig а , Ом"1 см"1
103/7, К"1
Рис. 3. Экспериментально измеренные величины темновой проводимости а,1 пленки 3 (треугольники), представленные суммой величин трехмерной прыжковой проводимости ан{Т) = 1.5-105 ехр (-(2.3 • 108/Т)°'25) (кривая 1) и зонной проводимости Ос = 3.1-102 ехр(-0.62/ЛТ) (кривая 2). Точки на кривой 2 (кресты) вычислены как разность измеренных величин а,1 и он , соответствующих кривой /
(крестики на кривой 2), температурная зависимость которой описывается активационным законом
ас(Т) = егоз ехр
Ез
(4)
где сг03 = 3.2 • 102 Ом-^см-1, Е3 = 0.62 эВ. Полученное значение предэкспоненциального множителя егоз указывает на то, что ас — зонная проводимость, а не прыжковая по состояниям хвоста зоны.
По полученным значениям ооз и Ез можно оценить положение уровня Ферми в щели подвижности пленки 3 по формуле [11]
En
F = Em + kT\n( —
\ Ооз
(5)
где егтш — минимальная металлическая проводимость.
В предположении, что величина егтш в отожженных пленках та же, что и в неотожжен-ных, т.е. сгццп — 2 • 102 Ом_1-см-1 [12], получаем Ес — Р = Еаз = 0.62 эВ. Таким образом, уровень Ферми в отожженной пленке 3 в исследованной области температур расположен вблизи середины щели подвижности, где расположены энергетические уровни оборванных связей кремния [13]. Это указывает на то, что прыжковая проводимость в отожженных пленках осуществляется по оборванным связям кремния. Определив параметр То, мы можем найти плотность состояний оборванных связей р из соотношения [14]
Р =
17.6
ka3To
(6)
где а — радиус локализации электрона, к — постоянная Больцмана.
Принимая радиус локализации равным 5-10~8 см, находим, что в пленке 3, отожженной при Та = 650 °С, плотность состояний оборванных связей р = 7.1 • 1018 эВ-^см-3.
На рис. 4 показаны температурные зависимости фотопроводимости о-рь для неотожженной (кривая 1) и отожженных (кривые 2, 3) пленок а-ЭкН при освещении белым светом от кварцевой галогенной лампы с интенсивностью Ш = 40 мВт-ем
Ом"1 см"1
ig я
-4
-5-6
-7-8 -9 -10
ph
'00
°Оп
" 'WTOv V 4w
□ О о р р
V V V
10
12
1077, К '
Рис. 4. Температурные ЗаВИСИМОСТИ фотопроводимости (7ph для пленок 1, 2, и 3 (кружки, квадраты и треугольники соответственно) — при интенсивности освещения W = 40 мВт-см-2
Видно, что величина фотопроводимости для неотожженной пленки существенно выше, чем для отожженных пленок. Фотопроводимость обоих типов пленок уменьшается при понижении температуры, однако вид их температурных зависимостей в области низких температур различен. Для отожженных пленок наблюдается стремление величины фотопроводимости к насыщению, а для неотожженной пленки наблюдается более резкое падение фотопроводимости с понижением температуры.
Измерения зависимости фотопроводимости исследованных пленок от интенсивности освещения W показали, что сгрь ~ W1, а показатель степени -у слабо изменяется с температурой как для отожженных, так и для неотожженной пленок. На рис. 5 видно, что для отожженной пленки 3 величина -у изменяется в интервале 0.8-0.9, а для неотожженной пленки — в интервале 0.65-0.75.
Ранее в работе [6] в пленках a-Si:H, подвергнутых высокотемпературному отжигу в вакууме при Та = 550 °С, также наблюдалась трехмерная прыжковая проводимость с переменной длиной прыжка по оборванным связям кремния. Однако фотопро-
Г 1.0
0.9 ■
0.8
0.7-
0.6
0.5
3
** vvv v v ч
V
ч
у V
• • ••
1 *
10
12
103/Г, к1
Рис. 5. Температурные зависимости показателей степени 7 люкс-амперных характеристик пленок / (кружки) и 3 (треугольники), определенных в интервале интенсивностей от 40 до 2 мВт-см
водимость в этих пленках не наблюдалась, хотя плотность состояний оборванных связей — основных центров рекомбинации — была практически равна значению в отожженных в водороде пленках, исследованных в настоящей работе.
В работе [15] показано, что пленка микрокристаллического аморфного кремния, полученная из силана, разбавленного водородом, методом осаждения в плазме высокочастотного разряда и содержащая кристаллическую фазу кремния в размере 12% объема, имеет значительную фотопроводимость (о-рь и Ю-5 Ом_1-см-1) и низкую темновую проводимость. Соответственно обнаруженную в настоящей работе фотопроводимость пленок а-ЭкН, отожженных в водороде, можно связать с наличием в них тонкого фотопроводящего микрокристаллического слоя, который почти не влияет на темновую проводимость пленки. Этот фотопроводящий слой мог возникнуть на границе с подложкой в результате образования кристаллитов малого размера в процессе отжига пленки в водороде при высокой температуре (Та = 600 -г 650 °С).
Непосредственное обнаружение этого микрокристаллического слоя методом измерения спектров ком-
бинационного рассеяния света при освещении пленки со стороны подложки оказалось невозможным, поскольку области длин волн комбинационного рассеяния пленки a-Si:H и подложки из кварцевого стекла находятся в одной области спектра. Измерения же спектров комбинационного рассеяния света отожженных пленок при освещении их со стороны пленки не давали информации о слое пленки вблизи подложки, поскольку свет от аргонового лазера, используемого в установке, сильно поглощался в верхних слоях пленки.
Для получения информации о наличии фотопроводящего слоя и о его природе в исследованных в настоящей работе отожженных в водороде пленках необходимы дальнейшие исследования.
Авторы выражают глубокую благодарность за помощь и обсуждение работы И. П. Звягину и А. Г. Казанскому.
Работа выполнена при поддержке программы «Интеграция».
Литература
1. Stabler D.L., Pankov J.I. //App. Phys. Lett. 1980. 37. P. 609.
2. Gody G.D., Abeles В., Brooks В. at. al. // J. Non-Cryst. Sol.,
1983. 59. P. 325.
3. Tsu R., Hernander J.G., Pollak F.H. // J. Non-Cryst. Sol.
1984. 66. P. 109.
4. Mitra S., Gleason K.K., Jia H. // J. Phys. Rev. B. 1993. 48. P. 2175.
5. Курова И.А., Мелешко H.B., Ларина Э.В., Хлебникова О.П. // ФТТ. 1996. 30. С. 12.
6. Курова И.А., Ормонт H.H., Теруков E.H. и др. // ФТТ. 2001. 35. С. 367.
7. Машин А.И., Хохлов А.Ф. // ФТП. 1999. 33. Р. 1434.
8. Валеев А.Л. // Оптика и спектроскопия. 1963. 15. С. 500.
9. Swanepoel R. // J. Phys. Е. 1984. 17. P. 896.
10. Swanepoel R. // J. Opt. Soc. Am. 1985. 2. P. 1339.
11. Overhof H., Beyer W. // Phil. Mag. B. 1983. 47. P. 377.
12. Kakalios /., Street R.A. // Phys. Rev. B. 1986. 34. P. 6014.
13. Margado E. // Phil. Mag. B. 1991. 63. P. 529.
14. Звягин H.H. // Кинетические явления в неупорядоченных полупроводниках. М., 1984.
15. Kamei Т., Stradins Р., Malsude А. // Appl. Phys. Lett. 1999. 74. P. 1707.
Поступила в редакцию 19.05.04
